CN109799581A - 一种磁流体硅基微环光开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流体硅基微环光开关，包括硅基微环谐振器、金属微带线、以及覆层和衬底；其中，硅基微环谐振器内外两侧集成有双环状金属微带线，并通过引线与电流驱动电路连接，金属微带线中所通相反方向电流，在硅基微环谐振器上面直接包覆有铁磁流体覆层，在金属微带线电流产生的磁场作用下，铁磁流体的有效折射率发生改变，导致硅基微环谐振器中光传播特性的改变，使微环透射谱发生移动，从而实现光开关的功能。具有易于集成(小型化)，易于实现(与CMOS工艺兼容)，灵活电控的优点。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种磁流体硅基微环光开关。
背景技术
光开关是一种可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互切换或逻辑操作的器件，可用于光纤通信网络的保护倒换，也是构建光网络节点光开关矩阵的基本单元。光开关按照工作方式划分，可以分为机械式光开关和非机械式光开关，其中，非机械式光开关又包括电光开关、热光开关、声光光开关、磁光开关等。磁光开关的实现原理有很多，可基于法拉第旋转、金属-介质-金属波导表面等离子体极化、磁光波导的非互易性相移等。然而，随着光通信发展的需要，新一代的光子器件逐渐由体状向小型化、集成化方向转变，将硅与磁性材料结合制作集成光子器件日益倍受关注。
基于硅基波导的磁光开关多以硅绝缘体(SOI)为平台，由于钇铁石榴石(YIG)的晶格常数与硅晶体难以匹配，在硅上生长纯相的YIG薄膜很难实现。磁流体具有磁可调的结构模式，表现出多种磁光学特性，液体的流动性可避免材料生长的复杂性，易于与硅波导相结合形成硅光子集成器件。A EI Amili等将铁磁流体与硅基波导结合用于实现磁场传感，他们采用了两个亥姆霍兹线圈产生磁场，当驱动电流为620mA时可产生的最大磁场为110Oe。显然，亥姆霍兹线圈体积较大，不利于器件的集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁流体硅基微环光开关，通过使硅基微环谐振器的透射谱发生移动来让工作在某一频率的光信号通过或者不通过，从而实现“开”或“关”功能。
为实现上述发明目的，本发明一种磁流体硅基微环光开关，其特征在于，包括硅基微环谐振器、金属微带线、以及覆层和衬底；
所述硅基微环谐振器由硅基微环与一根线波导耦合而成；其中，线波导的两个端口分别对应于磁流体硅基微环光开关的输入、输出端口，在输入、输出端口处通过耦合光栅与外部光纤连接；
所述金属微带线共计两条，分布在硅基微环的内外两侧，两条金属微带线的两端分别焊有引线焊盘，两条金属微带线通过引线焊盘与外接电流驱动电路连接，电流驱动电路对两条金属微带线通方向相反的电流；
所述覆层的材质为铁磁流体，并直接覆盖在硅基微环谐振器上表面；所述衬底的材质为硅基绝缘体，位于硅基微环谐振器下表面，作为硅基微环谐振器的固定平台；
外部光信号通过耦合光栅输入进输入端口，当传输至耦合区时，线波导与硅基微环之间发生耦合，一部分光直接从输出端口输出，一部分光耦合进硅基微环；同时外部驱动电路通过引线焊盘给两环状金属微带线通方向相反的电流，使通入电流的金属微带线产生环绕其自身的磁场，硅基微环谐振器上表面的覆层在两环状金属微带线共同作用产生的磁场的影响下，折射率发生改变，进而改变硅基微环中光的传播特性，使硅基微环谐振器的透射谱发生移动，进而让工作在某一频率的光信号通过或者不通过，即实现“开”或“关”功能，最后耦合进硅基微环中传输的光达到光稳态，通过耦合区从输出端口输出。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种磁流体硅基微环光开关，包括硅基微环谐振器、金属微带线、以及覆层和衬底；其中，硅基微环谐振器内外两侧集成有双环状金属微带线，并通过引线与电流驱动电路连接，金属微带线中所通相反方向电流，在硅基微环谐振器上面直接包覆有铁磁流体覆层，在金属微带线电流产生的磁场作用下，铁磁流体的有效折射率发生改变，导致硅基微环谐振器中光传播特性的改变，使微环透射谱发生移动，从而实现光开关的功能。具有易于集成(小型化)，易于实现(与CMOS工艺兼容)，灵活电控的优点。
附图说明
图1是本发明一种磁流体硅基微环光开关的架构图；
图2是两环状金属微带线的电流流向示意图；
图3是磁流体包覆的硅基微环谐振器和金属微带线的横截面仿真示意图；
图4是两环状金属微带线的仿真示意图；
图5是磁流体硅基微环光开关的性能仿真图；
图6是磁流体硅基微环光开关在不同磁场时的工作带宽优化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种磁流体硅基微环光开关架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种磁流体硅基微环光开关，包括：硅基微环谐振器、金属微带线、以及覆层和衬底；
如图1所示，硅基微环谐振器由硅基微环与一根线波导耦合而成；其中，线波导的两个端口分别对应于磁流体硅基微环光开关的输入、输出端口，在输入、输出端口处通过耦合光栅与外部光纤连接；
如图2所示，金属微带线共计两条，为环状结构，分布在硅基微环的内外两侧，两条金属微带线的两端分别焊有引线焊盘，两条金属微带线通过引线焊盘与外接电流驱动电路连接，电流驱动电路对两条金属微带线通方向相反的电流；其中，环状金属微带线体积较小，利于器件的集成。
覆层的材质为铁磁流体，并直接覆盖在硅基微环谐振器上表面，磁流体的流动性可避免材料生长的复杂性，易于与硅基微环谐振器相结合；衬底的材质为硅基绝缘体，位于硅基微环谐振器下表面，作为硅基微环谐振器的固定平台；
外部光信号通过耦合光栅输入进输入端口，当传输至耦合区时，线波导与硅基微环之间发生耦合，一部分光直接从输出端口输出，一部分光耦合进硅基微环；同时外部驱动电路通过引线焊盘给两环状金属微带线通方向相反的电流，使通入电流的金属微带线产生环绕其自身的磁场，硅基微环谐振器上表面的覆层在两环状金属微带线共同作用产生的磁场的影响下，折射率发生改变，进而改变硅基微环中光的传播特性，使硅基微环谐振器的透射谱发生移动，进而让工作在某一频率的光信号通过或者不通过，即实现“开”或“关”功能，最后耦合进硅基微环中传输的光达到光稳态，通过耦合区从输出端口输出。
实例
(1)、硅基微环谐振器横截面尺寸的设计以工作在单模条件为原则，可通过仿真分析导模数、有效折射率、传输损耗、色散特性等确定具体尺寸，仿真结果如图3所示，图中箭头表示两金属微带线通入相反方向的电流时共同产生的外加磁场分布。最后，所设计的磁流体硅基微环波导结构为：硅基微环波导宽度为0.45μm，高度为0.25μm；金属微带线厚度为0.25μm，外围金属微带线半径为6μm，两微带线之间的空隙为0.5μm。此外，包覆在硅基微环谐振器和金属微带线上面的铁磁流体浓度为0.68emu/g，饱和磁化强度为446Oe(工作磁场范围小于饱和磁化强度)，此时的仿真结果表明，在环心上方2.5μm处，两微个带线产生的磁场强度与所通电流大小关系为H(Oe)＝335.125×I(A)。两环状金属微带线仿真示意图如图4所示。
(2)、根据硅基微环谐振器的基本工作原理，不有施加磁场时，微环的谐振波长取决于微环谐振器的周长，即这意味着不加磁场时微环透射谱的下陷波长应处于1550nm，此时L可取为35μm，对应的透射谱如图5所示。
(3)、研究表明，随着外加磁场的增加，1550nm波长的透射率逐渐增加。在要求开关的消光比不小于10dB的条件下，当施加不同大小的磁场H时，可通过优化输入、输出线波导与硅基微环之间的耦合效率(这里用直通效率参数ρ表示)来获得最大的工作带宽，如图6所示。可以看出，随着外加磁场的增加，工作带宽逐渐达到最大，对应的耦合直通效率减小；当H>150Oe时，工作带宽基本保持不变。因此，综合考虑开关消光比和工作带宽两个性能参数，并使开关磁场应尽可能小，可得如下优化结果：开关磁场强度为150Oe，耦合直通效率ρ为0.934，此时的工作带宽为0.18nm(近近25GHz)，对应的“关”和“开”状态如图5所示。
(4)、根据输入、输出线波导与硅基微环之间耦合区的优化直通效率参数，仿真确定输入、输出线波导与硅基微环波导之间的距离。对于波导尺寸和弯曲半径确定的微环谐振器，主要通过改变耦合间距来改变直通效率，仿真计算耦合间距为0.14μm。根据开关磁场大小，仿真确定金属微带线宽度和所需的驱动电流大小。外加磁场大小是由集成在微环谐振器内外两侧的环状金属微带线共同作用产生，利用图4所示的Comsol仿真模型，当开关磁化强度为150Oe时，两环状金属微带线中所通电流为447mA，此时金属微带线宽度可取为0.25μm。
(5)、最后是根据上述参数，设计磁流体硅基微环光开关的制备模版，用于完成芯片的加工。同时，提出器件封装方案，例如光开关芯片输入、输出端口采用光栅耦合方式，而金属微带线到驱动电路之间的连接采用金线绑定(电学封装)，覆层铁磁流体的密封可借助微流芯片的封装方案等。
此外，本发明还可以硅基微环可以根据磁流体硅基微环光开关的工作波长及消光比带宽采用多个硅基微环串联或并联的级联结构，从而衍生出多种结构形式的磁流体硅基微环光开关。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种磁流体硅基微环光开关，其特征在于，包括硅基微环谐振器、金属微带线、以及覆层和衬底；
所述硅基微环谐振器由硅基微环与一根线波导耦合而成；其中，线波导的两个端口分别对应于磁流体硅基微环光开关的输入、输出端口，在输入、输出端口处通过耦合光栅与外部光纤连接；
所述金属微带线共计两条，分布分布在硅基微环的内外两侧，两条金属微带线的两端分别焊有引线焊盘，两条金属微带线通过引线焊盘与外接电流驱动电路连接，电流驱动电路对两条金属微带线通方向相反的电流；
所述覆层的材质为铁磁流体，并直接覆盖在硅基微环谐振器上表面；所述衬底的材质为硅基绝缘体，位于硅基微环谐振器下表面，作为硅基微环谐振器的固定平台；
外部光信号通过耦合光栅输入进输入端口，当传输至耦合区时，线波导与硅基微环之间发生耦合，一部分光直接从输出端口输出，一部分光耦合进硅基微环；同时外部驱动电路通过引线焊盘给两环状金属微带线通方向相反的电流，使通入电流的金属微带线产生环绕其自身的磁场，硅基微环谐振器上表面的覆层在两环状金属微带线共同作用产生的磁场的影响下，折射率发生改变，进而改变硅基微环中光的传播特性，使硅基微环谐振器的透射谱发生移动，进而让工作在某一频率的光信号通过或者不通过，即实现“开”和“关”功能，最后耦合进硅基微环中传输的光达到光稳态，通过耦合区从输出端口输出。
2.根据权利要求1所述的一种磁流体硅基微环光开关，其特征在于，所述的硅基微环可以根据磁流体硅基微环光开关的工作波长及消光比带宽采用多个硅基微环串联或并联的级联结构。
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